[электро],
означающим в переводе янтарь). (Тексты примерных экзаменационных билетов см. в № 9/2006. В 2006/07 уч.г. они те же. – Ред.)
Для проведения итоговой аттестации мы с учётом требований Обязательного минимума содержания образования подобрали материал для 2-го и 3-го заданий базового уровня в билетах, где предусматривается решение качественных задач, выполнение экспериментальных заданий и работа с текстом. Для составления текстов использовалась научно-популярная литература, справочники, энциклопедические словари по технике, физике и астрономии.
Билет № 1
2. а) Зачем велосипедист, приближаясь к подъёму дороги, увеличивает скорость движения?
Ответ. Велосипедист, обладающий большой начальной скоростью, может, согласно закону сохранения энергии, подняться на некоторую высоту, не прилагая никаких усилий. При этом его кинетическая энергия перейдёт в потенциальную. Таким образом, приобретя кинетическую энергию на лёгком участке пути, он может потратить её для преодоления трудного.
б) Автомобиль спускается с горы с выключенным двигателем. За счёт какой энергии движется автомобиль?
Ответ. Согласно закону сохранения энергии с уменьшением высоты потенциальная энергия переходит в кинетическую, т.е. тело набирает скорость.
3. Пленённое электричество. В технике основными устройствами, где используется явление электромагнитной индукции, являются генераторы электрического тока, электродвигатели и трансформаторы. Генератор состоит из статора и ротора. Массивный неподвижный статор представляет собой полый стальной цилиндр, на внутренней стенке которого уложено большое число витков металлического провода, ведущего во внешнюю электрическую цепь к потребителю электроэнергии. Ротор – цилиндр с пазами, большой подвижный электромагнит, установленный внутри статора. Под действием пара, газа или падающей воды (на гидростанциях) ротор начинает быстро вращаться, и в проводах статора благодаря электромагнитной индукции возникает электрический ток.
В электродвигателях происходит обратное превращение: переменный электрический ток, протекая через провода статора, заставляет ротор вращаться. С помощью механических приспособлений движение ротора можно передать ленте транспортёра, эскалатору метро, зубчатым и ременным передачам любого станка на современном заводе.
Огромные генераторы и электродвигатели выпускаются сейчас промышленностью многих стран мира. На теплоэлектростанциях монтируются генераторы мощностью до 1 млн киловатт электроэнергии! Такие генераторы вырабатывают низкое электрическое напряжение, которое обязательно повышают, прежде чем передать электроэнергию от расположенных вдалеке электростанций к городам, где её ждут промышленные предприятия и жилые дома.
Здесь уже незаменимыми оказываются такие устройства, как трансформаторы, состоящие из сердечника и двух катушек, в которых разное число витков. Если к катушке с большим числом витков подвести переменный электрический ток большого напряжения, то с катушки с малым числом витков можно «снять» больший ток, но значительно меньшего напряжения. Ведь в электрической сети жилой квартиры лучше иметь напряжение, безопасное для жизни... и спиралей электрических лампочек. Тоненькие вольфрамовые спирали легко перегорают при повышенном напряжении. А свет лампочки для нас очень важен. Учитывая тепловое действие электрического тока, чтобы уменьшить потери, используют трансформатор: благодаря повышенному напряжению сила тока, отправляемого в дальний путь, меньше.
Вопросы к тексту и задания
– Какие устройства используют явление электромагнитной индукции?
– Назовите основные части генератора электрического тока.
– На какие группы делятся все вещества по уровню подвижности заряженных частиц?
– Каким способом можно уменьшить потери в линии электропередач и в то же время сделать передачу электроэнергии более безопасной для жизни человека?
Билет № 2
2. Наблюдение явления электризации тел. В вашем распоряжении имеется оборудование для наблюдения электризации тел: электроскопы, пластинка из оргстекла, шерстяная и шёлковая ткани, надувные шарики, газета. Пронаблюдайте деление электрического заряда при взаимодействии шаров, наэлектризованных о различный материал; покажите способы электризации тел. Опишите и объясните свои наблюдения.
Ответ. Для наблюдения деления электрического заряда надо наэлектризовать один электроскоп и с помощью разрядника передать часть заряда второму, не заряженному электроскопу; наэлектризованные шары будут притягиваться в том случае, если они имеют заряды разных знаков, и отталкиваться, если у них одноимённые заряды. Объясняется это тем, что на теле заряды перераспределяются.
3. Космические лучи. В 1913 г. эксперимент австрийского учёного В.Гесса доказал, что именно из космоса приходит проникающее излучение, разбивающее молекулы воздуха на заряженные ионы. В 1927 г. советский физик Д.В.Скобельцын обнаружил в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле, группы быстрых заряженных частиц, траектории которых почти не искривлялись. Эксперименты других учёных не оставили сомнений в том, что именно заряженные частицы очень высоких энергий (миллиарды электрон-вольт) были «виновниками» и высокой проникающей способности космических лучей и необычных превращений при их взаимодействии с веществом. Частицы, прилетающие из космоса в атмосферу Земли, образуют так называемый атмосферный ливень – поток из миллионов частиц, «орошающий» участок поверхности Земли в несколько квадратных километров. К концу 1940-х гг. был изучен энергетический спектр и состав первичного излучения. Уникальная проникающая способность космических лучей используется для «просвечивания» больших толщ грунта, рудных тел и пустот, а также массивных сооружений в поисковой и инженерной геологии.
Большая научная ценность изучения космических лучей состоит в определении их первичного состава (который в общих чертах повторяет состав химических элементов Вселенной), а также их вариаций в пространстве и времени. Попытки установить происхождение этих частиц привели астрофизиков к познанию ряда процессов их ускорения в очень сильных и протяжённых электромагнитных полях вокруг уникальных космических тел – сверхновых звёзд, пульсаров (т.е. быстро вращающихся нейтронных звёзд), «чёрных дыр» и т.д. Наблюдения источников космических лучей ведутся по приходящим от них электромагнитным излучениям широкого диапазона – от радиоволн до гамма-квантов сверхвысокой энергии.
Вопросы к тексту и задание
– Что изучает астрофизика?
– Что происходит при столкновении частиц сверхвысоких энергий?
– Назовите стабильные элементарные частицы.
– Какая частица является античастицей по отношению к электрону?
Билет № 3
2. Наблюдение изменения энергии отражённого и преломлённого световых пучков на границе раздела двух сред. В вашем распоряжении имеется оборудование для наблюдения преломления света: источник света, экран со щелью, стеклянная пластинка. Пронаблюдайте изменение яркости преломлённого и отражённого пучков при изменении угла падения светового луча. Опишите и объясните свои наблюдения.
Ответ. Рассмотрите законы отражения и преломления.
3. Жидкие кристаллы. В 1889 г. австрийским ботаником Ф.Рейницером и немецким физиком О.Лиманом были открыты органические вещества, которые обладают свойством жидкости – текучестью, – но сохраняют определённую упорядоченность расположения молекул и анизотропию свойств, характерную для монокристаллов. Как же могут существовать жидкие кристаллы, совмещающие в себе прямо противоположные свойства жидкости и металла? Дело в том, что жидкость, оставаясь в целом изотропной, может состоять из анизотропных молекул. Под внешним воздействием, в частности, электрического поля, тонкие слои такой жидкости приобретают анизотропные свойства, которые можно использовать в технике. Например, если поместить такую жидкость в тонкий зазор толщиной 0,1–0,01 мм между двумя стеклянными пластинами, на которых нацарапаны параллельные микроскопические бороздки, то все молекулы выстраиваются вдоль этих бороздок. Такая плоская ячейка хорошо пропускает падающий на неё свет. Если при помощи прозрачных электродов создать на отдельных участках ячейки электрическое поле, то ориентация молекул под электродами изменится, изменится и способность пропускать свет.
Для переориентации молекул в тонком слое жидкого кристалла требуются очень малая электрическая энергия, и этот процесс происходит достаточно быстро – за сотые и даже тысячные доли секунды. При помощи слабых электрических сигналов можно управлять прозрачностью жидкого кристалла.
Такой принцип реализован в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, термометры), его используют для создания экранов телевизоров, плоских дисплеев, информационных стендов, например, на железнодорожных вокзалах и в аэропортах.
Некоторые жидкие кристаллы меняют свои свойства при изменении температуры. Это свойство используют в медицине для определения участков тела с повышенной температурой и в технике для контроля качества микросхем.
Вопросы к тексту
– Что такое анизотропия и изотропия?
– Какие вещества называют жидкими кристаллами?
– Какой принцип лежит в основе работы устройств на жидких кристаллах?
Билет № 4
2. Наблюдение изменения давления воздуха при изменении температуры и объёма. В вашем распоряжении имеются надувной шарик, кусок льда, нагреватель. Надуйте шарик и поднесите к нему кусочки льда. Пронаблюдайте за состоянием шарика. Сделайте вывод. Повторите опыт, поднося шарик к нагревателю. Что происходит с шариком? Сделайте вывод. Предложите свой опыт для наблюдения изменения давления воздуха при изменении температуры и объёма.
Ответ. При нагревании шарика объём воздуха в нём увеличивается. Наоборот, при охлаждении воздуха внутри шарика его объём уменьшается.
3. Электричество спускается с неба.
В античной Греции философ Фалес, натирая меховой
шкуркой янтарь, кусочек окаменевший смолы
хвойных деревьев, с удивлением наблюдал, как
янтарь после этого начинал притягивать к себе
пёрышки, пух, сухие листья. Недаром через
несколько тысячелетий учёные назовут
элементарную частицу, несущую единичный
электрический заряд, греческим словом
«электрон» (от греч. [электро],
означающим в переводе янтарь).
Много свидетельств оставили нам древние историки о наблюдавшихся ночью в горах или на мачтах кораблей переливающихся холодных огнях. Их видел на копьях солдат во время ночного похода через горы достаточно внимательный свидетель – древнеримский полководец Юлий Цезарь. О них вспоминали знаменитые мореплаватели Колумб и Магеллан. Похожие огни «плясали» на высоком шпиле церкви святого Эльма в одном из городов Франции.
Начиная научные исследования электричества учёные довольно быстро поняли, что все эти таинственные огни вызваны атмосферным электричеством. Облака во время грозы – плавающие в воздухе обкладки огромных электрических конденсаторов. Ослепительная молния, возникающая при слишком тесном сближении природных накопителей электроэнергии, наглядно показывает, как много электричества может быть в небе у нас над головой. Ультрафиолетовое излучение Солнца обладает достаточной энергией, чтобы оторвать от молекул и атомов некоторых газов, составляющих воздух, свободные электроны. В высоких слоях атмосферы образуется смесь электронов и положительно заряженных ионов – остатков молекул и атомов, лишившихся части своих электронов. Частицы пыли, туман, грозовые облака и тучи неизбежно привлекают к себе заряженные частицы. С заряженного облака заряды стекают на другие предметы, вызывая лёгкое свечение. Во время грозы возникает электрический разряд в атмосфере, или молния, которая может вызвать пожары, разрушить дома, сломать деревья.
Вопросы к тексту
– Как сообщить телу электрический заряд?
– Как взаимодействуют заряженные тела друг с другом?
– Чем определяется взаимодействие электрических зарядов?
– В каких единицах выражается электрический заряд в системе СИ?
Билет № 5
1. а) Бумажную гильзу, подвешенную на шёлковой нити, зарядили. Когда к ней поднесли руку, гильза притянулась к руке. Почему?
Ответ. Тело человека является проводником электричества, при сближении с гильзой происходит перераспределение зарядов на руке, и заряды разных знаков притягиваются.
б) Маленький металлический шарик на шёлковой нити вносят в пространство между пластинами заряженного плоского воздушного конденсатора. Шарик начинает колебаться. Объясните, почему.
Ответ. Между пластинами конденсатора имеется электростатическое однородное поле. Свободные заряды шарика сосредоточены на его поверхности [причём электроны, т.е. отрицательный заряд, скапливаются в области поближе к положительно заряженной пластине конденсатора, а диаметрально противоположная область шарика оказывается заряженной положительно. Если шарик находится точно посередине между пластинами, то он оказывается в состоянии неустойчивого равновесия. Малейшее смещение выводит его из этого состояния, и он притягивается к ближайшей пластине. Пусть это будет положительно заряженная пластина. Когда шарик коснётся её, электроны перетекут на пластину, шарик окажется заряженным положительно, оттолкнётся от пластины и притянется к другой, отрицательно заряженной пластине. Далее процесс будет повторяться. – Ред.]
3. Воздействие радиации на окружающую среду. Техногенное воздействие на окружающую среду при строительстве и эксплуатации атомных электростанций многообразно:
– локальное механическое воздействие на рельеф – при строительстве;
– попадание химических и радиоактивных компонентов в стоки поверхностных и грунтовых вод;
– изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС;
– изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов и др.
Отметим также тепловое и химическое загрязнение окружающей среды, воздействие на обитателей водоёмов-охладителей, изменение гидрологических характеристик прилежащих к АЭС районов, выбросы и сбросы радиоактивных и токсических веществ из систем АЭС. Через трубу в атмосферу попадают газовые и аэрозольные выбросы. В жидких сбросах вредные примеси в виде растворов или мелкодисперсных смесей могут попадать в водоёмы. Включаясь в многообразные движения атмосферы, поверхностные и подземные потоки, радиоактивные и токсические вещества распространяются в окружающей среде, попадают в растения, в организмы животных и человека. Выбросы могут быть как постоянными, находящимися под контролем персонала, так и аварийными, залповыми. При авариях на АЭС может оказываться существенное радиационное воздействие на людей и экосистемы.
Вопросы к тексту и задания:
– Назовите факторы техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объекты окружающей среды.
– Как зависит интенсивность радиации от расстояния до источника радиоактивного излучения?
– Что называют ядерным реактором?